卟啉金属有机框架材料的制备和应用进展*

胡娅琪，郝 林，陈梓欣，张一凡，奉启铖

（西安医学院 药学院，陕西 西安 710021）

MOFs是由金属离子或者金属团簇与有机配体之间通过配位键形成的具有周期性网络结构的新型有机-无机杂化材料[1]。由于具有较大的比表面积、孔道结构可调等优点，金属有机框架材料（Metal Organic Frameworks,MOFs）近年来受到广泛关注[2]。在众多有机配体中，卟啉分子具有独特的电子结构，比如其光谱吸收带包括吸收较强的Soret吸收带（400～450nm）和吸收较弱的Q吸收带（550～650nm），且卟啉分子有着显著的分子易剪裁性和功能多样性，因此，将卟啉作为有机连接体引入MOFs可以拓展材料的吸收区域至可见光[3]，以拓宽MOFs的应用领域。卟啉中心的吡咯氮几乎能和大部分金属离子进行配位，总体来说，金属卟啉主要有两种构型，卟啉环内与金属离子配位形成平面构型（金属离子半径较小），如Fe3+、Mn2+、Co2+、Zn2+、Cu2+，或者通过卟啉环外配位形成金属卟啉（金属离子半径较大），如Mo、Cr、Ti等过渡金属离子，由于金属的配位数不同，选择合适的节点金属往往有利于得到具有特殊结构和功能的MOFs。另外，卟啉环上的每一个位置可被功能基团所取代，功能取代基的位置和种类影响着化合物的物理和化学性质，因此，可通过调控卟啉中心环金属离子和环外周围取代基来调控MOFs材料的性能。另外，通过后修饰的方法将卟啉分子作为功能分子，通过孔内的包封和表面的吸附或接枝负载于MOFs材料孔隙内或表面，结合金属原子、纳米颗粒、碳材料、量子点等引入卟啉得到结构、性能独特的MOFs材料，在催化、光动力治疗、药物递送、传感检测等领域得到了广泛应用[4-7]。

本文介绍了卟啉相关MOFs，包括以卟啉作为配体合成MOFs，后修饰将卟啉分子组装在MOFs、以及结合功能性纳米材料合成各类功能性MOFs，具体分为卟啉MOFs、卟啉@MOFs、复合型卟啉MOFs。着重从合成策略、功能和应用等方面介绍了卟啉相关MOFs通过调节金属节点、连接体、空间结构以及构筑复合材料的合成及其应用，为进一步的研究工作提供简要概述。

1 卟啉MOFs

在合成过程中，合理选择卟啉对MOFs的孔径、形状和大小具有重要的调控作用。合成卟啉MOFs的卟啉连接体主要包括羧酸类、吡啶类以及多氮唑类配体等[8]，其中羧基卟啉（TCPP）作为连接体被广泛应用，最常见的是H2TCPP（5,10,15,20-四（4-羧基苯基）卟啉），包括TCPP及其金属化的TCPP分子（TCPP（M））。TCPP能够和金属Zr、Cu、Al、Cr、Tr等金属节点组装形成稳定性较高的卟啉型MOFs，可以克服MOFs稳定性、分散性差、容易聚集的问题。从而提高其理化性质。由于金属的配位数不同，选择合适的节点金属往往有利于得到具有特殊结构和功能的MOFs。卟啉MOFs材料的合成以溶剂热法、水热法合成居多，该方法简单，材料稳定性较高，且可以调控尺寸和性能。一般将金属盐和卟啉有机配体一起加入有机溶剂或者水中，然后转移至聚四氟乙烯反应釜中，在一定的温度和时间下进行反应。在高温高压条件下通过改变金属离子与有机配体的配比、溶剂种类、体系温度、pH值、反应时间等条件来控制纳米MOFs的成核和生长速率。除了溶剂热、水热法外，还有溶剂挥发法、电化学沉积法、微波辅助法、机械化学法等。

在众多卟啉MOFs中，由于具有稳定性较高、结构设计灵活和功能多样性，锆对氧的亲和力很强，锆基卟啉MOFs引起了人们极大的兴趣。例如Park等[9]采用溶剂热法合成了系列具有不同拓扑结构的卟啉MOFs，由TCPP或TCPP（M）（M=Ni,Cu,Zn,Co,Mn或Fe）作为有机配体和Zr簇组成，由于具有高连通性和高电荷密度的Zr金属团簇提供了非常强的Zr-O键，提高了MOFs在酸性或碱性水溶液中的稳定性。另外，基于Zr簇具有对称性及配体连接数多样的特点，将同一种卟啉连接体TCPP与配体连接数不同的Zr簇自组装可形成具有不同拓扑结构的MOFs[10,11]。

由于卟啉内环的中心金属配位会极大影响卟啉MOFs材料的形貌和化学性质，2020年，Zhao等[12]以苯甲酸作为辅配体设计合成了中心铜金属配位的Cu-TCPP（BA）MOFs纳米片，发现中心金属配位的卟啉能够降低MOFs纳米片层与层之间的H堆积和J聚集，MOFs呈现各向异性生长。该研究详细阐述了卟啉中心金属配位的作用，揭示了MOFs生长机理，为合成超薄的微米级MOFs材料提供了思路。后续利用两相界面合成法，避开了卟啉的中心金属配位制得FeTCPP/Fe2O3MOFs复合纳米材料[13]。该材料可以催化分解肿瘤细胞中存在的H2O2产生羟基自由基，同时克服肿瘤细胞的乏氧环境，促进1O2的形成，提高PDT效果。另一方面，利用红细胞膜对MOFs进行伪装以提高其在血液循环和体内组织停留时间，以AS1411适配体进行修饰实现MOFs在肿瘤区域的高富集，两者增强了MOFs在肿瘤部位的富集能力，提高了PDT效果，降低了副作用。该研究为促进MOFs纳米材料在生物医学领域的应用提供了新的思路。

由于卟啉MOFs具有大量裸露的金属位点和较大的比表面积等优点，能够有效降低光生电子-空穴对的复合率，因此，在氢释放反应、氧释放反应、氧还原反应和二氧化碳还原反应等各种能量转换体系方面可作为理想的催化剂。除了常见的Zr，Cu和Zn，Ti、Ru也可作为节点金属。2019年，Wang等[14]报道了以TiO团簇为结点，以H2TCPP为有机配体的二维卟啉MOFs。7个钛原子与12个羧基连接成一个Ti7O6簇作为光催化活性中心，每个Ti7O6簇与4个H2TCPP连接体连接，形成单层卟啉MOF，并通过A-B堆积形成多层的卟啉MOF纳米片，负载共催化剂-Pt纳米粒子实现了可见光条件下（范围拓宽至700nm）的高效光催化析氢，解决了目前普遍在光催化析氢领域存在的材料稳定性较差、催化活性不足等问题。

利用MOFs合成可调性和结构规律性等优势，将光敏单元和催化单元整合在一起，研究该类仿生催化剂结构和功能的关系，为研究人工光合作用提供了平台。但金属节点仅是结构单元，并不参与整个催化过程，催化单元均为单独引入，直接利用MOFs结构的金属节点作为催化单元鲜少报道。Lan等[15]以Ru3+和四（4-苯甲羧基）卟啉和或四（4-苯甲羧基）卟啉锌为有机连接体，设计合成了两种以双核钌为次级构筑单元（Ru2SBU）的新型金属有机框架Ru-TBP和Ru-TBP-Zn，用于光催化反应，由于Ru2SBU和卟啉配体的距离仅为约1.1nm，且每一个Ru2SBU配位多个卟啉分子，有利于从激发态卟啉到Ru2SBU的多电子传递过程，实现可见光驱条件下催化产氢量的大幅度提高（28倍）。这项工作成功地将具有催化活性的金属节点和光敏配体-卟啉整合到MOFs，用于光催化析氢反应，为设计多功能MOFs提供了新策略。

Zhao等[16]通过稀土Gd3+与TCPP配位反应合成了一种新型的卟啉MOFs纳米片。通过与磺酸卟啉作为有机配体合成MOFs的比较，发现该MOFs较高的高弛豫速率，优于大多数报道的造影剂的弛豫速率。此外，该MOFs纳米片由于其特殊的周期性多孔结构，其光敏活性比单纯TCPP纳米片有所提高，在可见光照射下单线态氧产率更高，该研究为开发双功能纳米材料提供了新思路，提高了MOFs在磁共振成像和光动力治疗方面的性能。除了光动力治疗肿瘤，卟啉MOFs还可用于植物的光动力抗菌化学治疗，Tang等[17]将光动力抗菌化学疗法引入植物病害防治中，制备了两种卟啉MOFs纳米复合材料，研究了卟啉MOFs对不同植物病原微生物的光动力抗菌活性，研究了该材料对植物的安全性和遗传毒性。以TCPP为有机连接物，以金属离子簇Zr4+为结点，合成了多孔卟啉MOF（PCN-224）纳米颗粒。在其孔隙中吸附负载戊唑醇（Tebuc），再将果胶和壳聚糖通过层层组装在颗粒表面，得到戊唑醇纳米复合材料（Tebuc@PCN@P@C）。结果表明，所制备的PCN-224对戊唑醇的载药率约为30%，在酸性条件和果胶酶的刺激下，Tebuc@PCN@P@C可以释放戊唑醇，对植物病原真菌-链格孢菌和细菌-白叶枯病菌、丁香假单胞菌具有光动力协同抗菌活性，该种材料在植物病害防治应用方面具有巨大潜力。

由于卟啉分子和金属节点的多样性，已经合成了各种不同结构的卟啉MOFs。与其他多晶结构类似，将卟啉MOFs结构调控到纳米尺度（NMOFs），可以改善其在生物医学应用中的理化和生物特性。

2 卟啉@MOFs

卟啉@MOFs的合成，通常以卟啉作为客体分子，将游离卟啉或金属卟啉包裹在MOFs孔隙中或修饰在MOFs表面，卟啉的组装过程主要采用原位形成和后修饰的方法。原位形成方法是指多组分前驱体（即多组分前驱体）的一锅反应，在骨架的形成过程中，游离基卟啉/金属卟啉同时被包裹在MOFs中实现两者的结合。由于卟啉原位包封的合成方法简单、效率高，许多研究者尝试将卟啉@MOFs合成为生物医学应用的功能平台。

后修饰方法通过主客体之间的作用（如氢键、范德华力、静电相互作用，π-π堆积相互作用，共价键作用等）将卟啉封装到孔隙或表面合成MOFs，到目前为止，已经成功合成了多种类型卟啉@MOFs。对MOFs外表面的后修饰合成方法已被用来解决MOFs纳米粒子表面性质的缺陷，如稳定性较差，选择性较差，生物利用度、药代动力学差等问题。例如，Masih等[18]将铂金属化卟啉（Pt（II）TMPyP）成功地封装在rho型类沸石ZMOF孔洞内，并应用于I-、S2-等阴离子选择性传感。单纯Pt（II）TMPyP对阴离子的检测限很低，但是无选择性，将其封装在rho-ZMOF框架内则具有独特的化学结构，大大提高了传感器的选择性和灵敏度。Kan等[19]通过后修饰的合成法在温和条件下以将S-乙基硫醇酯取代卟啉修饰在UiO-66表面合成新型UIO-66型MOFs。表面修饰的卟啉分子不仅能保持MOFs的结晶度、结构特征和尺寸，而且能高效地生成单线态氧。与一锅法合成的卟啉MOFs相比，该复合材料表现出更高的光动力学活性和更有效的PDT效果。

由于体积大、水介质中分散性差等缺点，多孔有机聚合物（POPs）在生物医学应用中受到限制。Zheng等[20]通过在UiO-66的胺基表面外延生长光活性卟啉POPs获得纳米级MOFs@POP复合材料（UNM），UNM种卟啉POPs结晶、孔结构和尺寸分布均得到较好的保持。UNM尺寸小于200nm，可以被癌细胞内吞。光激活条件下UNM产氧能力较高，可以应用于光动力治疗。Tang等[21]以5,10,15,20-四（1-甲基-4-吡啶基）卟啉四（对甲苯磺酸盐）（TMPyP）作为光敏剂（PS），将其嵌入MOF（HKUST-1）的笼状结构中，一锅法合成卟啉@MOF。结果表明，PS@MOF可提高单线态氧的产率，能广谱有效灭活植物病微生物。在离体抑菌实验中，PS@MOF对3种植物病原真菌（核盘菌、腐霉病菌、灰葡萄孢菌）和两种细菌（黄瓜细菌角斑病菌、密歇根棍状杆菌密歇根亚种）具有优异的光动力抗菌活性。具有光动力抗菌活性的卟啉@MOF在农业应用中具有巨大的潜力，有望替代传统杀菌剂作为高效的新型杀菌剂。

3 复合型卟啉MOFs

为了增强卟啉MOFs的多功能性，将功能组分引入卟啉MOFs中，是构建复合卟啉型MOFs的一种有效的策略，既提高了卟啉MOFs的稳定性，又拓展了MOFs材料的应用。在卟啉MOFs材料功能化方面，涉及的材料主要有金属纳米颗粒、金属单原子、金属氧化物、纳米晶、量子点、碳材料[22]等。

3.1 金属纳米颗粒

在MOFs材料中，引入具有催化活性的金属纳米颗粒可提高其催化活性。例如Zeng等[23]报道了一种用卟啉MOFs包覆功能基团修饰的不同纳米结构的合成方法。基于纳米结构诱导的异相成核，可以实现MOFs在系列有机和无机纳米材料上的可控生长，形成核-壳复合型卟啉MOFs，如聚多巴胺（PDA）纳米颗粒、金属纳米颗粒、氧化石墨烯和金纳米棒等。研究发现，通过控制纳米材料官能团以外，与Zr簇之间的配位作用，既可以避免MOFs在溶液中的自成核，又可以控制卟啉MOFs的厚度。由于纳米材料和卟啉MOFs特殊的结构性质，该复合材料具有优良的催化性能和光学性能，可被应用于光热成像和光催化。例如，Wang等[24]通过纳米粒子的后合成修饰和离子交换过程，利用卟啉MOFs的孔洞限域效应将Ag+可被还原为尺寸较小的Ag NPs（3nm）固定到锆基卟啉MOF孔洞内部，得到NU-902材料。由于Ag NPs和卟啉均是亚硝酸盐氧化的电催化剂，因此，NU-902可用于构筑电化学亚硝酸盐传感器，且传感性能明显优于未负载Ag NPs的锆基卟啉MOFs。

3.2 金属单原子

利用单原子的高催化性能，将其负载于卟啉MOFs，可提高MOFs的催化性能。如2018年，He等[25]通过竞争配位法合成了管状结晶卟啉Zr-MOFs空心纳米管材料，并成功地将一系列贵金属单原子（Ir、Pt、Ru、Au、Pd）锚定在卟啉中心，其中卟啉MOFs-Ir/Pt由于具有中空结构和单原子催化中心，在可见光催化水分解析氢反应中，表现出了优异的催化活性。金属原子负载量的高低直接决定MOFs的催化活性高低，其中可以直接将金属原子进行配位的金属卟啉作为有机连接体。如Zuo等[26]以Pt-TCPP为连接体，Cu2+为节点，制备了二维卟啉MOF纳米片，使得Pt原子在MOFs具有较好的分散性，有效地提高了Pt原子的负载量，在可见光照射下，该二维MOFs单原子催化剂的析氢速率远远高于当时报道的MOFs光催化剂的析氢速率。

3.3 金属氧化物

控制MOFs的尺寸和形态仍然是一个巨大的挑战。Wang等[27]展示了一种痕量水诱导的竞争配位程序，以5,10,15,20-四（4-羧基苯基）卟啉作为配体，Zr4+作为无机结构单元，可控地合成不同结构的卟啉MOFs，包括针状纳米材料、中空纳米管和纳米立方体。3种MOFs在655nm激光照射下，表现出形状依赖的单线态氧（1O2）生成。通过在纳米立方体表面包覆MnO2壳进行功能化，可有效生成1O2，改善了肿瘤微环境，提高了PDT效果。此外，它们与谷胱甘肽反应，产生羟基自由基用于化学动力学治疗（CDT）。因此，设计的MOFs@MnO2纳米颗粒改善了肿瘤缺氧微环境，以提高PDT的效率，联合CDT以增强肿瘤治疗效果。

3.4 纳米晶

相对于金属纳米材料，研究发现，CuS纳米晶可在近红外光诱导条件下，通过光热疗与光动力双机制增强肿瘤治疗效果要高于前者。基于开发兼具治疗和成像功能的多功能纳米治疗系统以及有效和毒性更小的抗肿瘤药物的迫切需要，Hu等[28]报道了一种简单有效的方法来合成可用于双模成像引导的协同光热/光动力疗法平台（PCN-CuS-FA-ICG）。通过简单的后修饰策略，可在水溶液中获得CuS功能化卟啉MOFs。将吲哚菁绿（ICG）引入以促进光热治疗效果。在650nm辐射下，PCN-CuS-FA-ICG不仅使1O2生成率较高实现了较强的光动力效果，且在808nm辐射下也表现出出色的光热转换能力，实现了荧光和热成像引导的肿瘤治疗。且由于CuS在肿瘤上的明显聚集，副作用较小，通过协同的光热/光动力疗法可明显抑制肿瘤生长。

3.5 量子点

Zheng等[29]将零维氮化碳量子点（g-CNQDs）与二维超薄卟啉MOFs组装合成一种杂化催化剂，用于可见光条件下高效、高选择性的CO2光催化还原。不同于以往报道的杂化催化剂，大多是通过物理或静电相互作用结合，作者制备的g-CNQDs/卟啉MOF杂化材料是通过g-CNQDs与卟啉MOF中的Co活性位点配位，大大缩短了光生电荷载体和气态底物的迁移途径。有效的电子-空穴对分离和在Co中心的长寿命俘获电子，不仅增强了光催化CO2还原活性，还提高了CO2还原为CH4的选择性。与单纯卟啉MOFs相比，该杂化催化剂的CO生成速率提高了2.34倍，而CH4释放速率提高了6.02倍。

3.6 碳材料

通过将卟啉MOFs和碳基材料，如石墨烯（PG），有序介孔碳（OMC）和大孔碳（MPC），可以改善卟啉MOFs的电导率和稳定性，增加活性位点。如Liu等[30]通过简单的一步水热法，将铁卟啉金属有机骨架（pFeMOF）与各种碳基质结合得到了卟啉MOFs复合材料，并用于氢气析出反应（HER）的电催化和过氧化氢（H2O2）的还原反应的催化过程。结果发现，pFeMOF/PG比pFeMOF/OMC，pFeMOF/MPC和pFe MOF具有更高的电催化效率，归因于PG的褶皱结构而导致pFeMOF尺寸均匀且较小。此外，pFeMOF/PG丰富的层状结构会使得其具有较大的电化学表面积。该工作为设计有效的非贵金属催化剂提供了一种新方法。

表面相互作用，包括静电力、疏水相互作用、共价或配位键，是通过表面修饰法制备复合卟啉型MOFs的必要条件。复合型卟啉MOFs中复杂的相互作用也影响其降解特性。例如，Zr阳离子对磷酸阴离子的高亲和力可以导致Zr基卟啉型MOFs的解体。此外，具有生物相容性成分（如聚乙二醇、PVP）的表面修饰MOFs可提高其稳定性，延长其在生物环境中的循环时间。尽管已经合成了多种复合卟啉型MOFs，但其复杂的合成工艺、收率较低的生产仍然制约着其在生物医学领域的应用。

4 结语

随着社会的进步，科学技术的发展，具有特殊性质的功能性材料和多种功能集一身的复合材料的应用越来越重要。基于卟啉特殊的结构，以其作为配体或者后修饰分子，结合其他功能材料可得到具有优异光学、电学及磁性性能的复合卟啉MOFs材料，因此，在生物医学领域，比如光动力治疗、成像、传感，得到了迅速的发展。然而，基于卟啉相关MOFs材料在生物相容性、选择性、灵敏度和便捷性等方面仍然面临一些挑战。主要集中在：（1）在MOFs的合成方面，通过选择合适的金属节点和有机配体，或表面进行功能化，控制合成具有特定孔径和结构的MOFs，提高材料的稳定性、生物相容性；（2）进一步开发其它功能材料，将MOFs与之复合制备MOFs复合材料，通过提高在光学、电学及磁性等方面性能，进一步提升卟啉相关MOFs材料的应用；（3）开发拥有多种传感信号，协同治疗效果的纳米载体的“智能”平台。随着对MOFs和各类功能材料的不断研究，合理的设计和构建基于卟啉的MOFs材料，深入挖掘其结构和性能，可获得理论和在实际应用上的突破。